電子ボルトからマイクロジュールへの換算

電子ボルト（eV）について

電子ボルトは、1 ボルト の電位差を通り抜ける電子 1 個になされる仕事にあたるエネルギーの単位です。記号は eV です。2019 年の SI の再定義以降、その値は厳密に 1.602176634 かける 10 の マイナス 19 乗 ジュール と定まりました。電気素量そのものが、いまや定義された定数だからです。

この単位が存在するのは、原子の世界にとって ジュール が絶望的に大きすぎるからです。可視光の光子 1 個が担うのはおよそ 1.6 から 3.3 電子ボルト であり、これを ジュール で書けば頭に 19 個の零が並びます。電子ボルト で扱えば、化学結合のエネルギーも、原子の遷移も、素粒子の衝突も、1 から数までの数値で言い表せます。単位に求められているのは、まさにこれです。

この尺度は、いくつもの分野をまるごと整理します。化学は数 電子ボルト に住み、それは結合のエネルギーであり、結合を断つ可視光や紫外線の光子のエネルギーです。エックス線は キロ電子ボルト を占めます。原子核物理は メガ電子ボルト で働き、それは結合エネルギーと放射性崩壊の尺度です。素粒子物理は ギガ電子ボルト を用い、そこでは陽子の静止質量が 0.938 です。大型ハドロン衝突型加速器では テラ電子ボルト を使い、その陽子は 1 個あたり 6.8 を担います。

質量も、質量とエネルギーの関係を通じて同じ単位で示されます。粒子の静止質量は、電子ボルト を光速の 2 乗で割った形で与えられますが、物理学者はふつうその除数を省き、電子は 511 キロ電子ボルト だと言ってしまいます。同じ約束のもとで、ヒッグス粒子は 125 ギガ電子ボルト です。

半導体の工学はこの単位に依存しています。ある物質の電気的、光学的なふるまいを決める バンドギャップ は、電子ボルト で表したエネルギーです。ケイ素はおよそ 1.1、窒化ガリウムは 3.4 であり、このひとつの数値が、その素子が太陽電池になるのか、トランジスタになるのか、青色発光ダイオードになるのかを決めます。

天文学は、高いエネルギーの光子についてこの約束を受け継いでいます。そのためガンマ線望遠鏡は、観測結果を波長ではなく ギガ電子ボルト や テラ電子ボルト で報告します。

粒子 の 加速 器 は、達する エネルギー に ちなんで 名づけられ、その 名 は 接頭 語 を たどります。1932 年 に はじめて 原子 核 を 割った コッククロフト と ウォルトン の 装置 は 数百 キロ 電子 ボルト で働きました。1950 年代 の ベバトロン は 十億 の 桁 に達し、反 陽子 を見つけました。そして 大型 ハドロン 衝突 型 の 加速 器 は 陽子 を それぞれ 6.8 テラ 電子 ボルト まで もっていきます。宇宙 線 は これ すべて を 相対 化 します。10 の 二十 乗 電子 ボルト まで の エネルギー で到来し、どの 装置 が作れる 量 の 数千万 倍 だからです。もっとも、その ような 粒子 は 一 平方キロメートル あたり 一 世紀 に ほんの わずか しか 地球 に届きません。

1 電子ボルト は、およそ 1.602 かける 10 の マイナス 19 乗 ジュール、およそ 3.83 かける 10 の マイナス 20 乗 カロリー に等しくなります。

マイクロジュール（µJ）について

マイクロジュール は、1 ジュール の 100 万分の 1、すなわち 0.000001 ジュール にあたるエネルギーの単位です。記号は µJ です。小さな生き物の尺度であり、短い レーザー パルス の尺度であり、センサー が目覚めるときに使う電気の尺度でもあります。道具を使わない人がそれと気づける出来事を、なお言い表せるいちばん小さなエネルギー単位です。

ここは昆虫の住まいです。0.5 ミリグラム の ノミ が 20 センチメートル 跳ぶのに使うのは およそ 1 マイクロジュール、水平に飛ぶ 蚊 が持つのはその 4 分の 1 ほどです。1 グラム を 0.1 ミリメートル 持ち上げる仕事も同じです。こうした量があってこそ、この単位は肌で分かるものになります。原理として見えないのではなく、毎秒何百万回も繰り返されないかぎり意味を持たないほど小さいだけなのです。

着火に関わる安全は、この範囲で書かれます。そして数値が機器の作り方を決めます。水素と空気の混合気に火をつける最小のエネルギーは およそ 17 マイクロジュール、大半の炭化水素の蒸気では数百 マイクロジュール です。製油所、穀物倉庫、鉱山向けの本質安全防爆機器は、どんな故障が起きても混合気の必要量を超えて放出しないことを示して認証されます。だからこそ危険場所向けの回路は、ボルト ではなく マイクロジュール で検証されるのです。

パルス 光を使う機器は、ほぼ例外なく マイクロジュール で仕様が書かれます。車載の ライダー は数 マイクロジュール の パルス を毎秒何千回も撃ち、レーザー 刻印装置は数十から数百を使い、微細加工向けの フェムト秒 増幅器はこの範囲の上端に位置します。ビーム が何を切り、何を写し、どこまで安全に照らせるかを決めるのは 1 パルス あたりのエネルギーであり、平均出力だけではその問いに答えられません。

低消費電力の電子回路も同じ言葉で予算を組みます。無線識別の受動 タグ は読み取り機の電磁場から数 マイクロジュール を得て、そのなかでやり取りをすべて終えなければなりません。近距離無線の告知 1 回は数十 マイクロジュール、水晶時計の機構は毎秒およそ 1 マイクロジュール、目覚めて測ってまた眠る温度 センサー なら 10 マイクロジュール 未満で済むこともあります。こうした機器の電池寿命は、マイクロジュール で行う算数です。

その上では ミリジュール が引き継ぎ、効果は機械的になります。手に感じる火花、耳に聞こえる音、落ちる小さな物です。その下では ナノジュール が引き継ぎ、効果は光学的、電子的になります。マイクロジュール はそのあいだの狭い帯を占めており、だからこそ、ほかに何ひとつ共有しない多くの分野が同じ 接頭語 に行き着くのです。

1 マイクロジュール は、0.000001 ジュール、およそ 6.24 × 10¹² 電子ボルト、およそ 2.78 × 10⁻¹⁰ ワット時 に等しくなります。